機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展研究

趙雙龍+王戩

摘 要：機(jī)電一體化技術(shù)是多學(xué)科相互交叉、相互融合所形成的一門科學(xué)。它的飛速發(fā)展使傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)的面貌煥然一新，在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域中的地位日趨重要，為人類帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。以下論文主要就近年來機(jī)電一體化的發(fā)展與應(yīng)用概況進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)計(jì)工程自動(dòng)化

進(jìn)入20世紀(jì)60年代以來，微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，以信息技術(shù)為中心，極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和工作效率為重要目標(biāo)。測量與控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)，三者結(jié)合在一起，構(gòu)成完整的信息系統(tǒng)。在這種新技術(shù)革命的影響和沖擊下，機(jī)電業(yè)發(fā)生了深刻的變化。機(jī)電一體化的共性關(guān)鍵技術(shù)是；精密機(jī)械技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、白動(dòng)控制技術(shù)以及系統(tǒng)總體技術(shù)。但是區(qū)分機(jī)電一體化或非機(jī)電一體化的機(jī)械系統(tǒng)，其核心是計(jì)算機(jī)控制的伺服控制系統(tǒng)，其他的都是與此匹配的重要部分現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品的電子化必須采用系統(tǒng)科學(xué)的觀點(diǎn)和綜合集成的技巧，使機(jī)械、電子設(shè)備和軟件之間相互適應(yīng)和匹配，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，才能促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品和消費(fèi)產(chǎn)品向自動(dòng)化方向發(fā)展。

1 機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)及其應(yīng)用

機(jī)電一體化系統(tǒng)的形式多種多樣，其功能也各不相同。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)包括以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力單元、傳感檢測單元、執(zhí)行單元、驅(qū)動(dòng)單元、控制及信息處理單元。隨著機(jī)電一體化產(chǎn)品技術(shù)性能、水平和功能的提高，機(jī)械本體需在機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝以及幾何尺寸等方面都應(yīng)適應(yīng)產(chǎn)品高效、多功能、可靠、節(jié)能、小型、輕量、美觀等要求。動(dòng)力單元?jiǎng)恿卧墓δ苁前凑諜C(jī)電一體化系統(tǒng)的控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。機(jī)電一體化的顯著特征之一是用盡可能小的動(dòng)力輸入獲得盡可能大的功能輸出。與一般的同類型機(jī)械裝置相比，機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械部分精度要求更高，結(jié)構(gòu)更簡單，功能更強(qiáng)大，性能更優(yōu)越，同時(shí)還要有更好的可靠性、維護(hù)性和更新穎的結(jié)構(gòu)。零部件要求模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化，還有許多新的課題要加以研究和運(yùn)用，如對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用新型復(fù)合材料以使機(jī)械系統(tǒng)既減輕重量、縮小體積，同時(shí)又不降低機(jī)械的靜、動(dòng)剛度，采用高精度導(dǎo)軌、精密滾珠絲杠、高精度主軸軸承和高精度齒輪等，以提高關(guān)鍵零部件的精度和可靠性；開發(fā)新型復(fù)合材料以提高刀具、磨具的質(zhì)量；通過零部件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，提高其互換性和維護(hù)性等。因此機(jī)械技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)在于如何與機(jī)電一體化技術(shù)相適應(yīng)，利用其他高新技術(shù)來更新概念，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上、材料上、性能上以及功能上的變革。

2 信息處理與自動(dòng)控制技術(shù)及其應(yīng)用

機(jī)電一體化系統(tǒng)中主要采用丁業(yè)控制機(jī)（包括可編程控制器，單、多回路調(diào)節(jié)器，單片微控制器，總線式丁業(yè)控制機(jī)，分布式計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)）進(jìn)行信息處理。計(jì)算機(jī)應(yīng)用及信息處理技術(shù)已成為促進(jìn)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展和變革的最重要因素。隨著社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對信息交流的需求越來越大，這就需要信息傳輸，即通信技術(shù)，圍繞如何提高傳輸速度、減少誤碼率等進(jìn)行的。為了共享資源、提供分布式功能和集中管理，可通過通信設(shè)備和線路，將不同地理位置具有獨(dú)立處理功能的多個(gè)計(jì)算機(jī)連接起來，運(yùn)用功能完善的網(wǎng)絡(luò)軟件按照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為信息處理技術(shù)提供了技術(shù)保障。

控制與信息處理單元像是對其他要素和它們之間的連接進(jìn)行有機(jī)的統(tǒng)一控制一樣，其功能是將來自傳感器的信息和各種命令進(jìn)行集中處理，根據(jù)處理結(jié)果，按照一定的規(guī)則發(fā)出相應(yīng)的控制信號，控制各要素或子系統(tǒng)連接成為一個(gè)有機(jī)整體，使各個(gè)功能環(huán)節(jié)有目的地協(xié)調(diào)一致運(yùn)動(dòng)，并達(dá)到預(yù)期的性能，從而形成機(jī)電一體化的系統(tǒng)工程。各子系統(tǒng)之間必須通過控制信息進(jìn)行聯(lián)系才能協(xié)調(diào)統(tǒng)一的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行有規(guī)則地物質(zhì)和能量的交換和轉(zhuǎn)移。因此，控制與信息處理單元是機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心單元，一般由計(jì)算機(jī)、可編程控制器、數(shù)控裝置以及各種邏輯電路等組成。信息處理技術(shù)包括信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策。自動(dòng)控制技術(shù)包括高精度位置控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自校正等技術(shù)。自動(dòng)控制就是依據(jù)自動(dòng)控制原理對具體控制裝置或系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之后進(jìn)行系統(tǒng)仿真，現(xiàn)場調(diào)試，最后使研制的系統(tǒng)可靠地投入運(yùn)行，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，使得自動(dòng)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合越趨密切，因此自動(dòng)控制技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)中十分重要的關(guān)鍵技術(shù)。

3 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)及其發(fā)展

電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)方式在數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)用非常廣泛，交直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主要用在閉環(huán)伺服數(shù)控系統(tǒng)中。由于變頻技術(shù)的進(jìn)步，交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)取得突破性進(jìn)展，為機(jī)電一體化系統(tǒng)提供了高質(zhì)量的伺服驅(qū)動(dòng)單元，極大地促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主要用在開環(huán)伺服數(shù)控系統(tǒng)中。對機(jī)電一體化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、控制質(zhì)量和功能來說，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)具有決定性的作用。液壓伺服系統(tǒng)（如液壓馬達(dá)、脈沖液壓缸等）具有工作穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、輸出力矩大等特點(diǎn)，特別是在低速運(yùn)行時(shí)其性能更突出，但液壓系統(tǒng)需要增加液壓泵等動(dòng)力源，設(shè)備復(fù)雜、體積大、維修難及污染環(huán)境；而電氣伺服系統(tǒng)（如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)等）具有控制靈活、費(fèi)用較小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但低速時(shí)輸出力矩不夠大。由于近年來變頻技術(shù)的進(jìn)步，交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)取得突破性進(jìn)展，為機(jī)電一體化系統(tǒng)提供了高質(zhì)量的伺服驅(qū)動(dòng)單元，極大地促進(jìn)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展。

4 結(jié)論與展望

機(jī)電一體化技術(shù)需要很多部門、產(chǎn)業(yè)的配合和支持，才能取得滿意的結(jié)果。我們不僅要對機(jī)電一體化的各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行全面深入的了解，還要能從系統(tǒng)工程的概念人手，通過系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)來使各個(gè)相關(guān)技術(shù)形成有機(jī)的結(jié)合，并且要注意研究和解決技術(shù)融合過程中所產(chǎn)生的新問題，只有這樣才能滿足機(jī)電一體化高速發(fā)展的需要。機(jī)電一體化概論都很好，如果整個(gè)系統(tǒng)不能很好地協(xié)調(diào)，則它仍然不可能可靠地正常運(yùn)行。隨著科技的進(jìn)步和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)正在不斷地深人到各個(gè)領(lǐng)域，并且迅猛地向前推進(jìn)，特別是制造工業(yè)對機(jī)電一體化技術(shù)提出了許多新的更高的要求。機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢應(yīng)為：在性能上向高精度、高效率、高性能、智能化方向發(fā)展；在功能上向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展；在層次上向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化的方向發(fā)展。